不同加载模式下管线钢的包辛格效应模拟研究

崔雷，彭畅，刘冬，杜丽影，李利巍，邹航，岳江波

（1.武汉钢铁有限公司制造管理部，湖北 武汉 430080；2.宝钢股份中央研究院武钢有限技术中心，湖北 武汉 430080）

大多数金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，而后若再同向加载，屈服强度升高，若反向加载，屈服强度降低，称为包辛格效应[1]。自1881年发现包辛格效应后，发现包辛格效应产生的应力大小不仅与应变大小有关，还与应变的历史有关。当前尚没有一个通用的模型可以解释不同应变条件下的包辛格效应，而主要采用模拟材料变形的方法进行研究。包辛格效应模拟方法主要包括循环剪切试验、循环弯曲试验和单轴拉压复合试验，其中只有单轴拉压复合试验可以获得变形过程的应力-应变曲线，进而准确地研究材料的包辛格效应[2-4]。

管线钢在制管应用过程中，会经受拉伸、压缩复杂变形，伴随产生包辛格效应。当前普遍采用板-管实物性能统计或实物性能检测的方法研究管线钢包辛格效应。已有的研究表明，管线钢包辛格效应与化学成分、组织类型、钢级强度、厚径比等因素复杂相关[2,5-12]，并未形成明确统一的规律性结论。为掌握某公司管线钢的具体包辛格效应规律，从而对原料的设计强度和制管应用进行指导，这里将采用单轴拉压复合试验对管线钢的包辛格效应进行模拟研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为某公司热连轧管生产线生产的17.5 mm厚X70卷板，该卷板采用了C-Mn-Nb的成分体系。X70试验钢的化学成分见表1。

表1 X70钢的化学成分（质量分数） %

1.2 试验方法

X70钢按照图1所示加工成圆棒拉伸试样，横向取样，平行部直径10 mm。在拉伸试验机上进行单轴拉压复合试验，引伸计标距为25 mm，各阶段变形时间均为50 s。压-拉加载模式下，试样先分别压缩变形至应变εt=-0.66%，-0.80%，-0.99%，-1.28%，-1.60%，卸载后再次进行拉伸变形。拉-压加载模式下，试样先分别拉伸变形至应变εt=0.66%，0.80%，0.99%，1.28%，1.60%，卸载后再次进行压缩、拉伸变形。

图1 模拟用试样加工尺寸

2 试验结果及分析

2.1 压-拉加载模式模拟

不同压应变时，压-拉加载模式下X70钢的应力-应变曲线形式相似，均包括压缩变形段、卸载段和拉伸变形段，如图2所示。压缩变形段均包含弹性变形区，未观测到明显屈服平台（图3a）。拉伸变形段为圆弧顶形式，呈现显著连续硬化特征（图3b）。从平移应力-应变曲线可以发现（图3c），随着压应变的不断增加，相应地拉伸变形段的屈服强度Rt0.5不断减小，呈现线性负相关趋势。

图2 压应变为-0.66%时X70钢的应力-应变曲线

图3 不同压应变时压-拉加载模式下X70钢的应力-应变曲线

通常高钢级管线钢拉伸曲线没有屈服平台，选取以εt=0.5%的强度作为其屈服强度。因此，一定程度上可以认为εt≤0.5%时的应力-应变曲线对应材料的弹性阶段。以εt=0.1%为步长，分析εt在0～0.5%的弹性模量变化。压-拉加载模式下拉伸变形段弹性模量变化趋势如图4所示。由图4可知，材料的弹性模量在初期迅速降低，随后呈现降低减缓趋势。同时发现，随着压-拉加载模式中压应变的增加，材料在拉伸变形段的弹性模量呈现降低趋势。

图4 压-拉加载模式下X70钢拉伸变形段弹性模量变化趋势（应变≤0.5%）

将不同压应变条件下的压缩变形段与拉伸变形段的应力-应变曲线转换至第一象限，如图5所示。对比不同压应变条件下的压缩变形段与拉伸变形段的应力-应变曲线发现，各压应变条件下材料的拉伸曲线始终低于压缩曲线，即拉伸强度始终小于压缩强度。这表明，压-拉加载模式下材料出现了永久软化现象。对比εt=0.5%时压缩变形段与拉伸变形段的屈服强度可知，压-拉加载模式导致的包辛格效应在100～150 MPa，且在压应变-1.28%时包辛格效应达到最大饱和值。

图5 压-拉加载模式下X70钢压缩变形段与拉伸变形段的应力-应变曲线

2.2 拉-压加载模式模拟

拉应变为0.66%的应力-应变曲线如图6所示。不同拉应变时拉-压加载模式下的应力-应变曲线如图7所示。由图6可知，不同拉应变时，拉-压加载模式下X70钢的应力-应变曲线形式相似，均包括拉伸变形段、卸载段和压缩变形段。拉伸变形段均包含弹性变形区，未观测到明显屈服平台（图7a）；卸载段发生弹性回复，应力与应变呈线性关系；压缩变形段为圆弧顶形式，呈现显著连续硬化特征（图7b）。从平移应力-应变曲线可以发现（图7c），随着拉应变的不断增加，相应地压缩变形段的屈服强度Rt0.5呈现先降低后增加的趋势。

图6 拉应变为0.66% X70钢的应力-应变曲线

图7 不同拉应变时拉-压加载模式下X70钢的应力-应变曲线

与2.1中方法相似，以εt=-0.1%为步长，分析εt在-0.5%～0范围的弹性模量变化。拉-压加载模式下压缩变形段弹性模量变化趋势如图8所示。由图8可知，随着拉-压加载模式中拉压应变的增加，材料在压缩变形段的弹性模量呈现先降低后升高的趋势。同时发现，材料的弹性模量随着应变的增加不断降低，但减小趋势在逐渐变弱。

图8 拉-压加载模式下X70钢压缩变形段弹性模量变化趋势（应变≥-0.5%）

将不同预应变条件下的拉伸变形段与压缩变形段的应力-应变曲线转换至第一象限，如图9所示。对比发现，在应变量较小情况下，压缩强度小于拉伸强度，但是随着应变量的增加，压缩强度逐渐达到并超过拉伸强度。这表明，拉-压加载模式下材料在较小应变时仅出现瞬态软化现象。对比εt=0.5%时压缩变形段与拉伸变形段的屈服强度可知，拉-压加载模式导致的包辛格效应在30～115 MPa，且在拉应变1.28%时包辛格效应达到最大饱和值。可见，拉-压加载模式下的包辛格效应明显小于压-拉加载模式。

图9 拉-压加载模式下X70钢压缩变形段与拉伸变形段的应力-应变曲线

3 结语

（1）压-拉加载模式和拉-压加载模式下材料均发生包辛格效应，且压-拉模式时的包辛格效应更大（管线钢由制管至成品的全流程中变形经历复杂，可能综合承受多种加载模式；这里仅针对了X70管线钢成型过程中可能出现的“反向加载”规律性研究，是管线钢制管过程承受的综合加载模式中的基本变形规律，尚未考虑到成型+扩径或水压的复杂情况，但已纳入到后期的研究计划中）。

（2）压-拉加载模式下，随着压应变的不断增加，相应地拉伸变形段的屈服强度Rt0.5不断减小，呈现永久软化特征。

（3）拉-压加载模式下，随着拉应变的不断增加，相应地压缩变形段的屈服强度Rt0.5先减小后增加，呈现瞬态软化特征。